Программируемые логические интегральные схемы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Филиал Казанского государственного технического
университета им А.Н. Туполева г. Елабуга

Курсовой проект по предмету:

Системы реального времени

Тема:

Программируемые логические

интегральные схемы

Выполнил:

Проверил:

2011

Задание

Целью данной курсовой работы является:

- раскрытие всех основных понятий и определений

- наиболее точное и подробное описание классификации ПЛИС

- изучение области применения ПЛИС

- рассмотрение основных производителей современных ПЛИС

- описание особенностей проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС

Оглавление

Введение

Глава 1.

Общие сведения о программируемых логических интегральных схемах

Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)

Классификация ПЛИС по степени интеграции

Архитектура функционального преобразователя ПЛИС

Организация внутренней структуры ПЛИС

Наличие внутренней RAM-памяти

Технология изготовления конфигурационных элементов ПЛИС

Конфигурационный элемент EPROM

Конфигурационный EEPROM

Конфигурационный элемент FLASH

Конфигурационный элемент SRAM

Конфигурационный элемент ANTIFUSE

Глава 2

Области применения ПЛИС

Достоинства и недостатки ПЛИС

Обзор семейств ПЛИС фирмы Altera

Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним

Особенности проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС

Применение программируемых логических интегральных схем для решения задачи автоматической генерации тестовых кодов

Заключение

Литература

Введение

Современный этап развития средств электронной и вычислительной техники характеризуется двумя противоречивыми тенденциями:

               с одной стороны, увеличивается их сложность и ужесточаются требования, предъявляемые потребителями к быстродействию, надёжности, энергопотреблению, стоимости;

               с другой, их жизненный цикл существенно сокращается.

Особое значение в этом случае приобретает время выхода на рынок нового изделия. Следовательно, сроки, установленные на проведение разработки и макетирования, сокращаются, а требования, предъявляемые к качеству новых изделий, становятся всё более жёсткими.

В табл.1 показаны основные этапы развития конструктивно-технологических признаков изделий электронной техники. Если развитие первых поколений техники происходило за счет новых технологий изготовления,  соотношения числа транзисторов на кристалле, быстродействия, то в последних поколениях (IV – V) резервы совершенствования технологий практически исчерпаны: любые улучшения достигаются более дорогой ценой. Следовательно, развитие электронной техники будет происходить, в основном, за счет совершенствования систем автоматизированного проектирования и широкого применения специализированных БИС.

Проектирование специализированных БИС позволяет выполнять функции, которые не реализуются в стандартных ИС, улучшать характеристики схем, снижать габаритные размеры, массу, мощность, повышать надежность электронных средств (ЭС). Основу специализированных БИС составили программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Одним из основных преимуществ ПЛИС является возможность синтеза различных устройств без изменения различных устройств без изменения технологического базиса, а также значительное сокращение сроков проектирования.

Первые ПЛИС в их простейшем варианте (PAL/GAL) появились в конце 70-х годов и являлись вспомогательной элементной базой для создания единичных и малосерийных комбинационных и последовательностных автоматов сложностью до нескольких десятков эквивалентных вентилей 2И-НЕ.

С середины 80-х началась новая эра в развитии ПЛИС. В этот период были основаны три ведущие корпорации – основные разработчики ПЛИС. В июне 1983 г. основана фирма Altera Corporation (101 Innovation Drive, san Jose, CA 95134, USA,www.altera.com), в феврале 1984 – компания Xilinx, Inc. (2100 Logic Drive, San Jose, CA 95123-3400, USA,www.xilinx.com), в 1985 – Actel Corporation (955 East Arques Avenue, Sunnyvale, CA 94086-4533, USA,www.actel.com). Эти три компании занимают до 80% всего рынка ПЛИС и являются основными разработчиками идеологии их применения. С момента своего основания эти и ряд других компаний (Atmel, Lucent Technologies, LSI Logic, Triscend и др.) активно разрабатывают новые классы и семейства ПЛИС, отличающиеся наличием новых функций. Обозначилась тенденция специализации рынка, когда та или иная компания-разработчик является лидером по одному из направлений.

В последние годы рынок ПЛИС значительно расширился с появлением новых архитектур и семейств микросхем, что накладывает дополнительные обязанности

44

на разработчика аппаратуры: из всего многообразия архитектур и семейств инженер должен выбрать лучший кристалл для своего проекта. Корректный выбор повлечёт за собой успех на рынке, и наоборот, неудачный выбор приведёт к неоправданным экономическим потерям и последующим переработкам проекта.

Таблица 1

Классификация конструктивно-технологических признаков изделий электронной техники по поколениям

44

Глава 1.

Общие сведения о программируемых логических интегральных схемах

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC — специализированные заказные большие интегральные схемы(БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС, за счёт быстродействия.

Рис.1. Обобщенная структурная схема ПЛИС.

Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)

Разнообразие существующих типов ПЛИС не позволяет выбрать единый критерий для их всеобъемлющей классификации. Поэтому целесообразно выделить набор классификационных критериев, обеспечивающих возможность систематизации информации о характеристиках и особенностях ПЛИС. К основным критериям классификации ПЛИС следует отнести:

          степень интеграции;

          архитектура простейшего функционального преобразователя;

          организация внутренней структуры и структуры матрицы соединений;

          наличие внутренней RAM-памяти;

          технология изготовления программируемых элементов.

Рассмотрим каждый из критериев классификации более подробно.

Классификация ПЛИС по степени интеграции

Степень интеграции ПЛИС характеризуется логической ёмкостью. Логическая ёмкость измеряется числом логических вентилей и определяет возможность ПЛИС обеспечить реализацию цифрового устройства заданной сложности. Как правило, в качестве базового логического вентиля принимают элемент 2И-НЕ.

В соответствии с выбранным критерием ПЛИС подразделяются на три подгруппы:

      низкой степени интеграции (лог.ёмк. до 1500 ЛВ); семейства XC3000, XC7000 (ф.Xilinx); семейства ATF, ATV, ATL (ф.Atmel); семейства Classic, MAX5000, MAX7000E/S (ф.Altera); семейство ACT1 (ф.Actel);

      средней степени интеграции (лог.ёмк. от 1500 до 15000 ЛВ); семейства XC5000, XC9000 (ф.Xilinx); семейство AT6000 (ф.Atmel); семейства Classic, MAX9000, FLEX8000 (ф.Altera); семейства ACT2, ACT3 (ф.Actel);

      высокой степени интеграции (лог.ёмк. от 15000 до 150000 ЛВ); семейства XC4000, XC6000, Spartan, VIRTEX (ф.Xilinx); семейство FLEX10K, APEX (ф.Altera).

Архитектура функционального преобразователя ПЛИС

В настоящее время существует множество архитектур простейших функциональных преобразователей ПЛИС.

Первыми в логическом проектировании цифровых устройств получили применение БИС постоянных запоминающих устройств: программируемых (ППЗУ, PROM), репрограммируемых (РПЗУ, EPROM) и электрически перепрограммируемых (ЭППЗУ, EEPROM). ПЗУ имеет структуру универсального логического преобразователя, т.е. функционально является композицией двух блоков (рис.1): дешифратора (D) и шифратора (S).

Рис.1. Структура ПЗУ

Дешифратор, имеющий фиксированную структуру, порождает полный набор термов от n входных переменных. Шифратор, реализованный на базе массива хранения данных ПЗУ, является программируемым и обеспечивает формирование m независимых логических функций от n переменных, представленных в совершенной дизъюнктивной нормальной форме. Недостаток такой организации - избыточность представления функции в СДНФ и связанная с ней степенная зависимость объёма накопителя ПЗУ от числа аргументов. Так, для реализации функции от 32 переменных потребуется массив объёмом 232 = 4 Гбит.

СБИС программируемой логики следующего поколения - программируемые логические матрицы ПЛМ (Programmable Logic Array - PLA), позволяющие реализовать логические функции, представленные в произвольной (сокращенной, тупиковой, минимальной) дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ). ПЛМ так же, как и ПЗУ, имеет структуру универсального логического преобразователя (рис.2). Причём, и дешифратор (матрица ”И”), и шифратор (матрица “ИЛИ”) являются программируемыми. Для обеспечения возможности реализации не только комбинационных, но и последовательностных схем, на выходы шифратора были добавлены триггеры. Такие БИС получили название программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Рис.2. Структура ПЛМ

Поскольку у логических функций, представленных в ДНФ, редко бывают общие термы, то матрица “ИЛИ” оказывается разреженной, а занятая ей часть кристалла используется не полностью. Таким образом, недостаток ПЛМ и ПЛК - неэффективное использование матрицы “ИЛИ”. Следующим этапом развития ПЛИС явилось появление БИС матричной логики (ПМЛ), также имеющих структуру универсального логического преобразователя (рис.3): дешифратор (D) - шифратор (S). При этом дешифратор (матрица “И”) у ПМЛ - программируемый, а шифратор (матрица “ИЛИ”) имеет фиксированную структуру. Простейшие БИС ПМЛ за рубежом получили название Programmable Array Logic (PAL), а ПМЛ с регистрами на выходе - Generic Array Logic (GAL).